兆瓦级风力发电机组塔架结构的优化设计

专题研讨

上海电力

2007年第5期

兆瓦级风力发电机组塔架结构的优化设计

顾岳飞

(上海电气风电设备有限公司, 上海　200241)

摘　要:利用有限元分析, 研究了风力发电机组塔架的动态特性及影响因素, 并采用仿真技术对兆瓦级风力发电机组塔架进行了静态和动态分析。为优化塔架的结构参数, 采用正交设计对其结构尺寸进行了优化。关键词:风力发电机组; 塔架; 有限元分析; 固有频率中图分类号:T K83　　文献标识码:B

1　引言

风力发电机组塔架受到多种载荷的共同作

用, 除了要支撑风力机自身的重量(作用。, 件的变形, 。

风力发电机组塔架应满足动力学设计要求, 型式下工况二结构各部分应力情况要高于工况一, 其中工况二支持翼的最大VonMises 等效应力是工况一的2. 47倍, 工况二下的叶片纵向最大应力是工况一的1. 6倍, 因此结构的设计主要由工况二(即暴风工况) 来控制。在该工况下, 对系统的各部件局部进行优化设计, 可最终确定产品的结构尺寸。

表1　结构变形及结构应力

工况一二

整体结构支持翼等效叶片纵向最叶片周向最轴等效应力

变形/mm 应力/MPa 大应力/MPa 大应力/MPa /MPa

[1**********]

7017174145

2211341692

5176951658

1371774

。所

以, 对塔架的。

台之上, 它是将计算机辅助设计技术、有限元技术和数据的前后处理技术有机地结合在一起, 使用三维软件建立模型, 通过加载进行计算后, 可知道所设计零件的强度如何, 结构是否合理, 直至其动态性能。如果不合理, 可进行修改, 直至得到满意地结果。

参考文献:

[1]　严强, 蒋超奇. 垂直轴风力发电机的发展趋势和应用[J].上

海电力,2007(2) .

[2]　熊礼俭. 风力发电新技术与发电工程设计、运行、维护及标

准规范[M ].北京:中国科技文化出版社,2003.

[3]　张国铭. 论兆瓦级垂直轴风力发电机的合理性[J].风力发

电,2001(4) .

[4]　张富昌. 几种新式立轴风力机设计方案[J].新能源,1998

(9) .

[5]　赵继华. 旋流式立轴风力机运行原理及特性[J].可再生能

源,2002(4) .

[6]　蒋超奇, 严强. 水平轴与垂直轴风力发电机的比较研究[J].

上海电力,2007(2) .

[7]　上海麟风风力发电设备有限公司. 垂直轴风力发电机组

[S].上海市企业标准(Q/TNJ H 01—2007) .

[8]　陈精一, 蔡国忠. 电脑辅助工程分析ANSYS 使用指南[M ].

3　结论

(1) 主轴组件为整个H 型垂直轴风力发电

北京:中国铁道出版社,2001.

[9]　博弈创作室. APDL 参数化有限元分析技术及其实用实例

[M ].北京:中国水利水电出版社,2004.

机重要的承力构件, 发电机转子仅承受风轮传递的扭矩。

(2) 刹车装置是风力发电机系统保证安全停机、检修等必不可少的部件。

(3) 结构强度设计要比较不同运行工况荷载组合, 确定结构的最不利工况, 结构必须能够满足该工况下的安全性设计。—518

—

收稿日期:2007209226

作者简介:牛海峰(19772) , 男, 山西人, 硕士研究生, 工程师, 从事垂直轴风力发电机材料和结构CA E 分析,0212

52360051; 张　冬(19792) , 男, 安徽人, 本科, 工程师, 从事

垂直轴风力发电机械设计及工艺研究,[1**********]1。

(责任编辑:杜建军)

2007年第5期

上海电力

ρ———空气密度,kg/m 3;

S ———风轮扫风面积,m 2。

专题研讨

由于仿真设计中不需要制造实物样机, 样机

的性能检测可采用先进的数值模拟技术完成, 加快了设计的进度和可靠性。

2　塔架固有动态特性的影响因素

2. 1　塔架的结构特点

风力机停机时作用在风轮迎风面积上的轴向

力可用式(2) 表示:

2

(2) F a =1/2×C n ρV A

式中　C n ———空气动力系数, C n =1. 6;

V ———风速(50年最大阵风风速) ; A ———风机迎风面积,m 2。

兆瓦级风力发电机组塔架一般为锥筒钢结构

形式, 在进行有限元分析时, 单元应采用壳单元。机组在实际运行中, 塔架顶部短舱的回转下支座刚度大, 变形很小, 因此与之相连部分的塔架变形也很小。为使所建立的有限元模型与实际尽可能接近, 故而在三维建模时, 顶部加了附加圆形板单元。这样建立的塔架模型在进行有限元分析时, 其计算结果能与实际情况达到最大的吻合。同时, 塔架的底部与地基(近似为刚性) 相连, 位移为零, 是简支结构。2. 2　荷, 以及塔架、。塔架顶部的质量力主要是塔架、风轮和短舱上的重量, 计算时可认为其均匀传递, 因此可作为质量力集中作用在塔架顶部。风轮和机舱上的气动载荷、惯性载荷作用在塔架顶部会影响结构振动强度, 但不会改变结构的固有动态特性, 因此忽略了塔架顶部的转动惯量。

根据自然风在时间和空间上分布的特点, 需要考虑风速和风向沿塔架高度的分布规律。塔架受到风压作用时结构会产生偏移和脉动, 这种风压又分为稳定风和脉动风。在有限元计算中采用前者并乘以修正系数的方法。因此, 将塔架上的气动载荷等长分段, 每段平均分配在两个节点上。

计算式(1) 与式(2) , 通过比较, 取其最大值进行静力分析。3. 2　有限元静力分析

应用式(1) 与式(2) ,

1所示。

图1中, G g 为塔架上各部件的总重量; F max 为由风引起的轴向推力(取

F n 和F a 的最大值) ; F t 为

塔架风压力。根据塔架的设计尺寸, 对其进行了三维建模, 并通过软件划分了网格。经过对塔顶加载及对塔架底部固定后, 即可开始计算, 计算

图1　塔架受力示意图

后可得到塔架静力分析

结果。

4　塔架模态分析

模态分析主要由建模、施加约束及求解、扩展模态、检查结果等组成。对塔架进行模态分析的建模方法与塔架的静力分析的建模方法是一致的, 但在分析中必须指定材料的弹性模量、密度及泊松比。

建好塔架的模型后, 要对塔架的底部固定, 然后便可进入软件求解器进行求解, 得出塔架前三阶的固有频率。

图2、图3和图4分别为带机舱塔架前三阶固有频率的模态分析及其对应的振型曲线。

3　塔架静力分析

3. 1　载荷分析

风力发电机组在各种工况条件下受到的载荷

是多种多样的, 其方向与大小也不同, 经过分析, 塔架承受的载荷主要是塔架上各部件的重量、塔架的自重及作用在风力机浆叶上的轴向力。

机组运行时作用在风轮扫风面积上的轴向推力可用式(1) 计算:

ρC t V 2S (1) F n =1/2×

式中　C t ———推力系数;

V ———风速,m/s ;

5　塔架结构优化设计

通过对整机的分析, 塔架、叶片、机舱等部件的尺寸由于受结构的限制, 变动的可能性较小, 而塔架又是整机中最重要的部件之一, 故重点对塔架的

—519

—

专题研讨

上海电力

2007年第5期

别建立有限元模型来计算其应力分布, 检验其强度是否满足材料许用要求。

6　结论

(1) 常规的结构设计方法需通过试制样机进

图2　

塔架一阶模态模型及振型曲线

行检测, 才能确定设计的合理性。如果不合理, 需再次试制样机。这种方法研制周期长, 设计中的盲目性大。运用仿真技术可以避免这一缺点, 通过修改参数来改进设计, 可大大缩短产品开发时间。

(2) 塔架有限元分析采用壳单元, 顶部加了附加圆形板单元。析时, 。

(3) , 塔的最大应力, , 应力逐渐减小,

图3　

塔架二阶模态模型及振型曲线

。

(4) 通过对塔的“4因素3水平”的正交优化设计, 以提高塔架刚度、结构紧凑为优化目标, 得出了塔架的最佳结构参数, 为塔架的设计与制造提供了可靠的理论依据。

参考文献:

[1]　王富耻, 张朝晖. 有限元分析理论和工程应用[J].北京:电

子工业出版社,2006.

图4　塔架三阶模态模型及振型曲线

[2]　徐至钧. 高塔基础设计与计算[J].北京:中国石化出版社,

2002.

[3]　叶杭冶. 风力发电机组的控制技术[J].北京:机械工业出版

结构进行优化设计。

对塔架的结构选择了4个可变的结构参数, 分

别为:D 座———塔底的外径; D 顶———塔顶的外径;

t 座———塔底的壁厚; t 顶———塔顶的壁厚。为减少计算次数, 对计算进行了正交试验设计, 确定该试验为“4因素3水平”, 这种方法可算出9种结果。以该结构参数能获得最合理的固有频率, 保证固有频率不在共振范围内, 同时保证最大应力值小于材料许用应力, 选择体积紧凑, 重量最轻为优化目标, 通过计算可得到重量较轻的两个方案。再进一步对上述试验所对应的塔架, 分

社,2002.

[4]　李本立, 宋宪耕, 贺德馨, 安玉华. 风力机结构动力学[M ].

北京:北京航空航天大学出版社,1999.

[5]　熊礼俭. 风力发电新技术与发电工程设计、运行、维护及标

准规范实用手册[M ].北京:中国科技文化出版社,2005.

[6]　王文斌. 机械设计手册(新版) [M].北京:机械工业出版社,

2004.

收稿日期:2007210221

作者简介:顾岳飞(19782) , 男, 上海人, 本科, 工程师, 从事机械结构设计及其有限元分析,[1**********]0×8052。

(责任编辑:杜建军)

电力简讯

闵行—南桥220kV 线路增容改造工程开工

据《超高压报》11月15日报道:2008年度迎峰项目———闵行至南桥220kV 线路增容工程于2007年11月2日正式开工。计划于2008年6月完工。本工程从闵行电厂220kV 出线开始, 通过闵南2101、2102线路走廊、至南桥变电站220kV 构架上; 工程将新建1条约长7. 5km 的同塔双回路线路, 为跨越黄埔江段, 新建2条单回路线路。

闵南线工程建设规模大, 工期时间紧, 对工程施工单位电力高压实业公司来说, 是第一次实施跨越黄浦江的越江线路放线及立高塔工程。因此无论是施工技术还是施工难度上都是前所未有的。面对挑战, 电力高压实业公司表示将通过精细化管理做好工程各项准备工作, 并通过管理力度的提升, 内强素质, 外树形象, 在确保工程安全施工的前提下, 保质按期完成整个改造工程, 打造实业公司的品牌形象。

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专题研讨

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2007年第5期

兆瓦级风力发电机组塔架结构的优化设计

顾岳飞

(上海电气风电设备有限公司, 上海　200241)

摘　要:利用有限元分析, 研究了风力发电机组塔架的动态特性及影响因素, 并采用仿真技术对兆瓦级风力发电机组塔架进行了静态和动态分析。为优化塔架的结构参数, 采用正交设计对其结构尺寸进行了优化。关键词:风力发电机组; 塔架; 有限元分析; 固有频率中图分类号:T K83　　文献标识码:B

1　引言

风力发电机组塔架受到多种载荷的共同作

用, 除了要支撑风力机自身的重量(作用。, 件的变形, 。

风力发电机组塔架应满足动力学设计要求, 型式下工况二结构各部分应力情况要高于工况一, 其中工况二支持翼的最大VonMises 等效应力是工况一的2. 47倍, 工况二下的叶片纵向最大应力是工况一的1. 6倍, 因此结构的设计主要由工况二(即暴风工况) 来控制。在该工况下, 对系统的各部件局部进行优化设计, 可最终确定产品的结构尺寸。

表1　结构变形及结构应力

工况一二

整体结构支持翼等效叶片纵向最叶片周向最轴等效应力

变形/mm 应力/MPa 大应力/MPa 大应力/MPa /MPa

[1**********]

7017174145

2211341692

5176951658

1371774

。所

以, 对塔架的。

台之上, 它是将计算机辅助设计技术、有限元技术和数据的前后处理技术有机地结合在一起, 使用三维软件建立模型, 通过加载进行计算后, 可知道所设计零件的强度如何, 结构是否合理, 直至其动态性能。如果不合理, 可进行修改, 直至得到满意地结果。

参考文献:

[1]　严强, 蒋超奇. 垂直轴风力发电机的发展趋势和应用[J].上

海电力,2007(2) .

[2]　熊礼俭. 风力发电新技术与发电工程设计、运行、维护及标

准规范[M ].北京:中国科技文化出版社,2003.

[3]　张国铭. 论兆瓦级垂直轴风力发电机的合理性[J].风力发

电,2001(4) .

[4]　张富昌. 几种新式立轴风力机设计方案[J].新能源,1998

(9) .

[5]　赵继华. 旋流式立轴风力机运行原理及特性[J].可再生能

源,2002(4) .

[6]　蒋超奇, 严强. 水平轴与垂直轴风力发电机的比较研究[J].

上海电力,2007(2) .

[7]　上海麟风风力发电设备有限公司. 垂直轴风力发电机组

[S].上海市企业标准(Q/TNJ H 01—2007) .

[8]　陈精一, 蔡国忠. 电脑辅助工程分析ANSYS 使用指南[M ].

3　结论

(1) 主轴组件为整个H 型垂直轴风力发电

北京:中国铁道出版社,2001.

[9]　博弈创作室. APDL 参数化有限元分析技术及其实用实例

[M ].北京:中国水利水电出版社,2004.

机重要的承力构件, 发电机转子仅承受风轮传递的扭矩。

(2) 刹车装置是风力发电机系统保证安全停机、检修等必不可少的部件。

(3) 结构强度设计要比较不同运行工况荷载组合, 确定结构的最不利工况, 结构必须能够满足该工况下的安全性设计。—518

—

收稿日期:2007209226

作者简介:牛海峰(19772) , 男, 山西人, 硕士研究生, 工程师, 从事垂直轴风力发电机材料和结构CA E 分析,0212

52360051; 张　冬(19792) , 男, 安徽人, 本科, 工程师, 从事

垂直轴风力发电机械设计及工艺研究,[1**********]1。

(责任编辑:杜建军)

2007年第5期

上海电力

ρ———空气密度,kg/m 3;

S ———风轮扫风面积,m 2。

专题研讨

由于仿真设计中不需要制造实物样机, 样机

的性能检测可采用先进的数值模拟技术完成, 加快了设计的进度和可靠性。

2　塔架固有动态特性的影响因素

2. 1　塔架的结构特点

风力机停机时作用在风轮迎风面积上的轴向

力可用式(2) 表示:

2

(2) F a =1/2×C n ρV A

式中　C n ———空气动力系数, C n =1. 6;

V ———风速(50年最大阵风风速) ; A ———风机迎风面积,m 2。

兆瓦级风力发电机组塔架一般为锥筒钢结构

形式, 在进行有限元分析时, 单元应采用壳单元。机组在实际运行中, 塔架顶部短舱的回转下支座刚度大, 变形很小, 因此与之相连部分的塔架变形也很小。为使所建立的有限元模型与实际尽可能接近, 故而在三维建模时, 顶部加了附加圆形板单元。这样建立的塔架模型在进行有限元分析时, 其计算结果能与实际情况达到最大的吻合。同时, 塔架的底部与地基(近似为刚性) 相连, 位移为零, 是简支结构。2. 2　荷, 以及塔架、。塔架顶部的质量力主要是塔架、风轮和短舱上的重量, 计算时可认为其均匀传递, 因此可作为质量力集中作用在塔架顶部。风轮和机舱上的气动载荷、惯性载荷作用在塔架顶部会影响结构振动强度, 但不会改变结构的固有动态特性, 因此忽略了塔架顶部的转动惯量。

根据自然风在时间和空间上分布的特点, 需要考虑风速和风向沿塔架高度的分布规律。塔架受到风压作用时结构会产生偏移和脉动, 这种风压又分为稳定风和脉动风。在有限元计算中采用前者并乘以修正系数的方法。因此, 将塔架上的气动载荷等长分段, 每段平均分配在两个节点上。

计算式(1) 与式(2) , 通过比较, 取其最大值进行静力分析。3. 2　有限元静力分析

应用式(1) 与式(2) ,

1所示。

图1中, G g 为塔架上各部件的总重量; F max 为由风引起的轴向推力(取

F n 和F a 的最大值) ; F t 为

塔架风压力。根据塔架的设计尺寸, 对其进行了三维建模, 并通过软件划分了网格。经过对塔顶加载及对塔架底部固定后, 即可开始计算, 计算

图1　塔架受力示意图

后可得到塔架静力分析

结果。

4　塔架模态分析

模态分析主要由建模、施加约束及求解、扩展模态、检查结果等组成。对塔架进行模态分析的建模方法与塔架的静力分析的建模方法是一致的, 但在分析中必须指定材料的弹性模量、密度及泊松比。

建好塔架的模型后, 要对塔架的底部固定, 然后便可进入软件求解器进行求解, 得出塔架前三阶的固有频率。

图2、图3和图4分别为带机舱塔架前三阶固有频率的模态分析及其对应的振型曲线。

3　塔架静力分析

3. 1　载荷分析

风力发电机组在各种工况条件下受到的载荷

是多种多样的, 其方向与大小也不同, 经过分析, 塔架承受的载荷主要是塔架上各部件的重量、塔架的自重及作用在风力机浆叶上的轴向力。

机组运行时作用在风轮扫风面积上的轴向推力可用式(1) 计算:

ρC t V 2S (1) F n =1/2×

式中　C t ———推力系数;

V ———风速,m/s ;

5　塔架结构优化设计

通过对整机的分析, 塔架、叶片、机舱等部件的尺寸由于受结构的限制, 变动的可能性较小, 而塔架又是整机中最重要的部件之一, 故重点对塔架的

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专题研讨

上海电力

2007年第5期

别建立有限元模型来计算其应力分布, 检验其强度是否满足材料许用要求。

6　结论

(1) 常规的结构设计方法需通过试制样机进

图2　

塔架一阶模态模型及振型曲线

行检测, 才能确定设计的合理性。如果不合理, 需再次试制样机。这种方法研制周期长, 设计中的盲目性大。运用仿真技术可以避免这一缺点, 通过修改参数来改进设计, 可大大缩短产品开发时间。

(2) 塔架有限元分析采用壳单元, 顶部加了附加圆形板单元。析时, 。

(3) , 塔的最大应力, , 应力逐渐减小,

图3　

塔架二阶模态模型及振型曲线

。

(4) 通过对塔的“4因素3水平”的正交优化设计, 以提高塔架刚度、结构紧凑为优化目标, 得出了塔架的最佳结构参数, 为塔架的设计与制造提供了可靠的理论依据。

参考文献:

[1]　王富耻, 张朝晖. 有限元分析理论和工程应用[J].北京:电

子工业出版社,2006.

图4　塔架三阶模态模型及振型曲线

[2]　徐至钧. 高塔基础设计与计算[J].北京:中国石化出版社,

2002.

[3]　叶杭冶. 风力发电机组的控制技术[J].北京:机械工业出版

结构进行优化设计。

对塔架的结构选择了4个可变的结构参数, 分

别为:D 座———塔底的外径; D 顶———塔顶的外径;

t 座———塔底的壁厚; t 顶———塔顶的壁厚。为减少计算次数, 对计算进行了正交试验设计, 确定该试验为“4因素3水平”, 这种方法可算出9种结果。以该结构参数能获得最合理的固有频率, 保证固有频率不在共振范围内, 同时保证最大应力值小于材料许用应力, 选择体积紧凑, 重量最轻为优化目标, 通过计算可得到重量较轻的两个方案。再进一步对上述试验所对应的塔架, 分

社,2002.

[4]　李本立, 宋宪耕, 贺德馨, 安玉华. 风力机结构动力学[M ].

北京:北京航空航天大学出版社,1999.

[5]　熊礼俭. 风力发电新技术与发电工程设计、运行、维护及标

准规范实用手册[M ].北京:中国科技文化出版社,2005.

[6]　王文斌. 机械设计手册(新版) [M].北京:机械工业出版社,

2004.

收稿日期:2007210221

作者简介:顾岳飞(19782) , 男, 上海人, 本科, 工程师, 从事机械结构设计及其有限元分析,[1**********]0×8052。

(责任编辑:杜建军)

电力简讯

闵行—南桥220kV 线路增容改造工程开工

据《超高压报》11月15日报道:2008年度迎峰项目———闵行至南桥220kV 线路增容工程于2007年11月2日正式开工。计划于2008年6月完工。本工程从闵行电厂220kV 出线开始, 通过闵南2101、2102线路走廊、至南桥变电站220kV 构架上; 工程将新建1条约长7. 5km 的同塔双回路线路, 为跨越黄埔江段, 新建2条单回路线路。

闵南线工程建设规模大, 工期时间紧, 对工程施工单位电力高压实业公司来说, 是第一次实施跨越黄浦江的越江线路放线及立高塔工程。因此无论是施工技术还是施工难度上都是前所未有的。面对挑战, 电力高压实业公司表示将通过精细化管理做好工程各项准备工作, 并通过管理力度的提升, 内强素质, 外树形象, 在确保工程安全施工的前提下, 保质按期完成整个改造工程, 打造实业公司的品牌形象。

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